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    中国视听网(www.av-china.com) > 行业资讯 > 技术文章(LED大屏) > 读懂大功率LED封装技术
    读懂大功率LED封装技术
    更新:2022-9-19 8:42:25 稿件:卓华光电科技集团有限公司 调整大小:【

    大功率LED封装由于结构和工艺复杂,并直接影响到LED的使用性能和寿命,一直是近年来的研究热点,特别是大功率白光LED封装更是研究热点中的热点。

    LED封装的功能主要包括:1、机械保护,以提高可靠性;2、加强散热,以降低晶片结温,提高LED性能;3、光学控制,提高出光效率,优化光束分布;4、供电管理,包括交流/直流转变,以及电源控制等。

    LED封装方法、材料、结构和工艺的选择主要由晶片结构、光电/机械特性、具体应用和成本等因素决定。经过40多年的发展,LED封装先后经历了支架式(Lamp LED)、贴片式(SMD LED)、裸芯型LED(COB LED)等发展阶段。

    大功率LED封装关键技术

    大功率LED封装主要涉及光、热、电、结构与工艺等方面。这些因素彼此既相互独立,又相互影响。其中,光是LED封装的目的,热是关键,电、结构与工艺是手段,而性能是封装水平的具体体现。从工艺相容性及降低生产成本而言,LED封装设计应与晶片设计同时进行,即晶片设计时就应该考虑到封装结构和工艺。否则,等晶片制造完成后,可能由于封装的需要对晶片结构进行调整,从而延长了产品研发周期和工艺成本,有时甚至不可能。

    低热阻封装工艺

    对于现有的LED光效水平而言,由于输入电能的80%左右转变成为热量,且LED晶片面积小,因此,晶片散热是LED封装必须解决的关键问题。主要包括晶片布置、封装材料选择(基板材料、热介面材料)与工艺、热沉设计等。

    LED封装热阻主要包括材料(散热基板和热沉结构)内部热阻和介面热阻。散热基板的作用就是吸引晶片产生的热量,并传导到热沉上,实现与外界的热交换。常用的散热基板材料包括矽、金属(如铝,铜)、陶瓷(如Al2O3,AIN,Sic)和复合材料等。如Nichia公司的第三代LED采用CuW做衬底,将 1mm晶片倒装在CuW衬底上,降低了封装热阻,提高了发光功率和效率;Lamina Ceramics公司则研制了低温共烧陶瓷金属基板,并开发了相应的LED封装技术。该技术首先制备出适于共晶焊的大功率LED晶片和相应的陶瓷基板,然后将LED晶片与基板直接焊接在一起。由于该基板上集成了共晶焊层、静电保护电路、驱动电路及控制补偿电路,不仅结构简单,而且由于材料热导率高,热介面少,大大提高了散热性能,为大功率LED阵列封装提出了解决方案。德国Curmilk公司研制的高导热性覆铜陶瓷板,由陶瓷基板(AIN和 Al2O3)和导电层(Cu)在高温高压下烧结而成,没有使用黏结剂,因此导热性能好、强度高、绝缘性强。其中氮化铝(AIN)的热导率为 160W/mk,热膨胀系数为4.0×10-6/℃(与矽的热膨胀系数3.2×10-6/℃相当),从而降低了封装热应力。

    研究表明,封装介面对热阻影响也很大,如果不能正确处理介面,就难以获得良好的散热效果。

    高取光率封装结构与工艺

    在LED使用过程中,辐射复合产生的光子在向外发射时产生的损失,主要包括三个方面:晶片内部结构缺陷以及材料的吸收;光子在出射界面由于折射率差引起的反射损失;以及由于入射角大于全反射临界角而引起的全反射损失。因此,很多光线无法从晶片中出射到外部。通过在晶片表面涂覆一层折射率相对较高的透明胶层(灌封胶),由于该胶层处于晶片和空气之间,从而有效减少了光子在介面的损失,提高了取光效率。此外,灌封胶的作用还包括对晶片进行机械保护,应力释放,并作为一种光导结构。因此,要求其透光率高,折射率高,热稳定性好,流动性好,易于喷涂。为提高LED封装的可靠性,还要求灌封胶具有低吸湿性、低应力、耐老化等特性。目前常用的灌封胶包括环氧树脂和矽胶。矽胶由于具有透光率高,折射率大,热稳定性好,应力小,吸湿性低等特点,明显优于环氧树脂,在大功率LED封装中得到广泛应用,但成本较高。研究表明,提高矽胶折射率可有效减少折射率物理屏障带来的光子损失,提高外量子效率,但矽胶性能受环境温度影响较大。随着温度升高,矽胶内部的热应力加大,导致矽胶的折射率降低,从而影响LED光效和光强分布。

    萤光粉的作用在于光色复合,形成白光。其特性主要包括粒度、形状、发光效率、转换效率、稳定性(热和化学)等,其中,发光效率和转换效率是关键。研究表明,随着温度上升,萤光粉量子效率降低,出光减少,辐射波长也会发生变化,从而引起白光LED色温、色度的变化,较高的温度还会加速萤光粉的老化。原因在于萤光粉涂层是由环氧或矽胶与萤光粉调配而成,散热性能较差,当受到紫光或紫外光的辐射时,易发生温度猝灭和老化,使发光效率降低。此外,高温下灌封胶和萤光粉的热稳定性也存在问题。由于常用萤光粉尺寸在1μm以上,折射率大于或等于1.85,而矽胶折射率一般在1.5左右。由于两者间折射率的不匹配,以及萤光粉颗粒尺寸远大于光散射极限(30nm),因而在萤光粉颗粒表面存在光散射,降低了出光效率。通过在矽胶中掺入纳米萤光粉,可使折射率提高到1.8以上,降低光散射,提高LED出光效率(10%-20%),并能有效改善光色质量。

    传统的萤光粉涂敷方式是将萤光粉与灌封胶混合,然后点涂在晶片上。由于无法对萤光粉的涂敷厚度和形状进行精确控制,导致出射光色彩不一致,出现偏蓝光或者偏黄光。而Lumileds公司开发的保形涂层(Conformal coating)技术可实现萤光粉的均匀涂覆,保障了光色的均匀性,如图4b。但研究表明,当萤光粉直接涂覆在晶片表面时,由于光散射的存在,出光效率较低。有鉴于此,美国Rensselaer研究所提出了一种光子散射萃取工艺(Scattered Photon Extraction method, SPE),通过在晶片表面布置一个聚焦透镜,并将含萤光粉的玻璃片置于距晶片一定位置,不仅提高了器件可靠性,而且大大提高了光效(60%)。

    近些年来,LED芯片逐渐成为显示行业的宠儿,凭借着高亮度、自发光、全彩色的优势,不断进入各类显示场所,而SMD封装和COB封装正是推动这一发展的主要因素。

    表贴三合一(SMD)LED于2002年兴起,并逐渐占据LED显示屏器件的市场份额,从引脚式封装转向SMD。表贴封装是将单个或多个LED芯片粘焊在带有塑胶“杯形”外框的金属支架上(支架外引脚分别连接LED芯片的P、N极),再往塑胶外框内灌封液态封装胶,然后高温烘烤成型,最后切割分离成单个表贴封装器件。由于可以采用表面贴装技术(SMT),自动化程度较高。与引脚式封装技术相比,SMD LED的亮度、一致性、可靠性、视角、外观等方面表现都良好。

    SMD封装的技术优势:

    1、技术成熟、相关生产设备工艺完备,供应体系健全。

    2、应用广泛、显示控制兼容配套成熟、稳定性高。

    3、灯珠一次通过率高,品质稳定,质量高。

    SMD封装微间距LED显示屏实例

    正是凭借技术成熟稳定、散热效果好、维修方便、无缝拼接、低亮高灰等优点,SMD封装LED显示屏产品迅速获得了市场的认可,一路高歌猛进,在LED应用市场占据了较大份额。如今LED显示屏在指挥室、控制室、会议室等应用场合获得了广泛应用,在政府应急指挥、智能指挥控制、公安交警指挥、通用会议决策、能源调度中心、军队武警指挥等领域均完成了一系列备受瞩目的重大项目,使得SMD封装LED显示屏的影响力不断扩大。

    而COB是一种多灯珠集成化无支架封装技术,直接将发光芯片封装在PCB板上,省却了繁琐的表贴工艺,没有了支架的焊接脚,每一个像素的 LED芯片和焊接导线都被环氧树脂胶体紧密严实地包封在胶体内,没有任何裸露在外的元素,为LED芯片提供了保护,可以解决外界因素对像素点造成损害的问题,长期使用过程中像素失效率极低,因此COB封装技术为微间距LED显示屏提供了超高的稳定性,无需修灯。

    2013年最早推出微间距LED高清显示系统应用于信息化前沿,同时不断专研革新,潜心研究Micro LED技术并结合COB封装工艺,在2017年有效推动COB小间距LED进入信息化领域。在产品领域,卓华光电科技集团有限公司以SMD及COB两种工艺微间距LED显示单元为主要主营业务,以多样化处理系统为控制中枢,通过自主研发的可视化控制管理软件、流媒体解码处理软件、高分辨率图像处理软件、数据可视化软件、大数据分析处理软件为友好操作界面,为信息化客户提供智能拼接大屏幕解决方案,可针对政府应急指挥、智能指挥控制、公安交警指挥、通用会议决策、能源调度中心、军队武警指挥等行业应用提供更贴切的一体化解决方案,极大的满足了市场需求,从而为客户创造更多的价值,为行业变革积蓄力量。

    COB封装采用的类面发光,因此视角更广,使得Voury卓华COB封装LED显示屏具备垂直及水平双向170°超宽视角,任何角度观看都是中心视角,任何角度确保颜色、亮度一致,具有更优秀的光学漫散色浑光效果,显示覆盖面积更大,确保任意角度观看无死角、不偏色,图像始终都能完美显示。

    另外,COB封装技术将像素点封装在PCB板上,实现PCB 电路板、晶体颗粒、焊脚和引线等全面密封,表面光滑无裸露元件,达到IP65 的完全防护能力,像素点表面光滑而坚硬,具有防磕、防撞击、防震、抗压、防水、防潮、防尘、防油污、防氧化、防静电等性能,高稳定易维护,日常清洁维护可直接用湿布擦除表面污渍。

    同时,COB封装微间距LED显示屏采用高品质超黑面板,使得黑色在整个屏幕中所占的比例提高到了99%以上,从而将显示屏的对比度提升到了10000:1,取得了质的飞跃,保证了画面的色彩表现能力,呈现精美绝伦的高画质影像。

    Vury卓华不仅从技术难度上的突破,更注重客户体验赢得客户,不断提供更高阶技术标准的产品,Voury卓华相继获得“COB小间距优秀品牌”、“LED小间距十大品牌”、“小间距LED品牌”、“LED显示屏优秀品牌奖”等,为政府、司法、交通、军警、能源等行业客户提供技术最先进、最完善的大屏幕拼接整体解决方案,为各行业领域的信息可视化管理提供技术领先的完整的解决方案,提高分析决策的效率,为客户提供最合理的整体解决方案不断前行。


    关于 卓华光电科技集团有限公司
     卓华光电科技集团有限公司是行业领先的室内大屏显示及拼接控制整体解决方案提供商,同时也是微间距LED显控系统的定义者。创立十多年来,Voury卓华一直专注于室内显示单元和拼接控制产品的研发、生产和销售,始终坚持以客户为中心,专为政府、司法、能源、电力、气象、军警、公共建设、智慧城市等行业的高端室内显示打造卓越的视频显示及传输解决方案。基于对各行业客户信息化建设需求的不断发展进步,Voury卓华在产品研发和设计上不断创新,针对不同行业制定更贴切的显控解决方案,赢得了广大客户的支持和信赖。
          基于小间距LED技术的持续发展和对用户需求的准确把控,Voury卓华针对室内高端显控应用领域,于2013年最早推出微间距LED室内高清拼接显控系列产品,成为微间距LED高清显控系统的定义者。
           秉承“诚信、双赢、卓越、公平”的经营理念,Voury卓华以昂扬的姿态积极面对未来,以“求新务实,追求卓越,为中华崛起而努力”为卓华人孜孜以求的目标,我们努力打造“专业缔造卓越、专注赢得信赖、专心成就未来”的价值观,最终成就"卓越中华,精彩视界"的梦想!
    联系 卓华光电科技集团有限公司
    电话 86-531-82373516

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